周期性密度泛函理论研究氯气在CuCl(111)表面上的吸附与解离

运用广义梯度密度泛函理论(Generalized Gradient Approximation,GGA)的PBE(Perdew-Burke-Ernzerh)方法结合周期性平板模型,研究了氯气分子和氯原子在CuCl(111)表面上的吸附。通过对不同吸附位和不同单层覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现:氯气分子在CuCl(111)表面的吸附为解离吸附;单层覆盖度为0.50时的吸附构型为稳定的吸附构型;氯气分子平行吸附在CuCl(111)表面时最稳定,吸附能最大,达364.5kJ·mol^(-1);伸缩振动频率的计算结果表明,吸附后的氯气分子的伸缩振动频率与自由氯气分子的伸缩振动频率相比,都发生了红移;布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向氯气分子的电荷转移。氯原子吸附的计算结果显示氯原子以穴位稳定的吸附在CuCl(111)表面。

甲醇氧化羰基化反应中CO和CH_3O在CuCl(111)表面上吸附作用的理论研究

基于密度泛函理论方法,采用广义梯度近似方法结合周期平板模型,对甲醇氧化羰基化反应中CuCl(111)表面上CO和CH3O的吸附、共吸附及CH3OCO的吸附进行了系统研究,探讨了CO和CH3O反应生成CH3OCO以及CH3OCO和CH3O反应生成碳酸二甲酯(DMC)的动力学特性.计算结果表明,在CuCl(111)表面的共吸附体系中,CO和CH3O之间的相互作用力比自由态的CO和CH3O之间的作用力大;CO和CH3O反应生成CH3OCO为整个甲醇氧化羰基化反应的速控步骤,活化能为113.19 kJ/mol,计算结果与实验结果一致.

乙炔在CuCl(111)表面吸附的密度泛函理论研究

采用量子化学的密度泛函理论方法,探讨了乙炔分子在CuCl(111)表面上的吸附。对5个不同吸附位置上的吸附能、优化结构、震动频率进行了分析,并与实验值进行了对比。模拟结果表明:乙炔在Top-Cu位的吸附比较稳定,吸附能为26.53kJ/mol;C≡C键长频率变小,键长增大;乙炔在CuCl上的吸附为物理吸附。

超高真空原子尺度Au_(x)/Si(111)-(7×7)表面吸附的电荷分布测量

原子尺度表面吸附Au原子的物理化学性质对研究纳米器件的制备以及表面催化等起着非常重要的作用.利用调频开尔文探针力显微镜研究了室温下Au在Si(111)-(7×7)表面吸附的电荷分布的特性.首先,利用自制超高真空开尔文探针力显微镜成功得到了原子尺度Au在Si(111)-(7×7)不同吸附位的表面形貌与局域接触电势差(LCPD);其次,通过原子间力谱与电势差分析了Au/Si(111)-(7×7)特定原子位置的原子特性,实现了原子识别;并通过结合差分电荷密度计算解释了Au/Si(111)-(7×7)表面间电荷转移与Au的吸附特性.结果显示,Au原子吸附有单原子和团簇形式.其中,Au团簇以6个原子为一组呈六边形结构吸附于Si(111)-(7×7)的层错半单胞内的3个中心原子位;单个Au原子吸附于非层错半单胞的中心顶戴原子位;同时通过电势差测量得知单个Au原子和Au团簇失去电子呈正电特性.表面差分电荷密度结果显示金在吸附过程中发生电荷转移,失去部分电荷,使得吸附原子位置上的功函数局部减少.在短程力、局域接触势能差和差分电荷密度发生变化的距离范围内,获得了理论和实验之间的合理一致性.

金属镓在Bi(111)表面上的吸附和合金化

利用超高真空-低温隧道扫描显微镜,结合第一性原理计算,研究了金属镓原子在Bi(111)表面上的吸附和合金化过程.在低温条件下沉积镓原子,一部分镓原子会聚集在衬底表面形成小液滴,另一部分则会依附在Bi(111)台阶处形成略矮于原台阶高度的镓铋合金.在室温退火后,聚集的小液滴会脱附,被真空泵抽离后,样品表面的台阶边缘处留下大面积的镓铋合金,合金结构的晶向与衬底相同,原子排列方式为六角密排结构.模拟计算发现,沉积在Bi(111)表面的镓原子替代第2层的铋原子形成镓铋合金结构的能量最低,结构最稳定,且模拟的镓铋合金的层高与实验结果一致.

甲醇在Au(111)表面吸附的密度泛函研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法,对CH3OH分子在Au(111)表面top,fcc,hcp和bridge位的吸附模型进行了构型优化、能量计算以及Mulliken布居分析,结果表明top位是较有利的吸附位.吸附的CH3OH解离产生甲氧基CH3O和H,对它们在Au(111)面的吸附进行的计算表明,bridge和fcc位分别是二者的最佳吸附位.对过渡态的计算给出了CHOH在Au表面解离吸附的可能机理:首先发生O-H键的断裂,继而生成甲氧基中间体.

CO在CeO_2(111)表面的吸附与氧化

采用密度泛函理论计算了CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化反应行为.结果表明,O2在洁净的CeO2(111)表面为弱物理吸附,而在氧空位表面是强化学吸附,且O2分子活化程度较大,O—O键长为0.143nm.CO在CeO2(111)表面吸附行为的研究表明,CO在洁净表面及氧空位表面上为物理吸附,吸附能均小于0.42eV;当表面氧空位吸附O2后,CO可吸附生成二齿碳酸盐中间体或直接生成CO2,与原位红外光谱结果相一致.表面碳酸盐物种脱附生成CO2的能垒仅为0.28eV.计算结果表明,当CeO2表面存在氧空位时,Hubbard参数U对CO吸附能有一定的影响.CeO2载体在氧化反应中可能的催化作用为,在氧气氛下,CeO2表面氧空位吸附O2分子,形成活性氧物种,参与CO催化氧化反应.

周期性密度泛函理论研究NO在Cu_2O(111)表面上的吸附

运用广义梯度密度泛函理论(GGA)的PBE方法结合周期平板模型,在DND基组下,研究了NO以N端和O端两种吸附取向在Cu2O(111)非极性表面上的吸附。通过对不同吸附位置的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现:表面上配位不饱和的铜离子(CuCUS)为活性吸附位;NO的N端吸附比O端吸附更为有利,N端吸附时吸附能可达到113.5kJ·mol-1,而O端情况下只有39.7kJ·mol-1;NO倾斜吸附在Cu2O(111)表面上,O端吸附时倾斜度更大。在两种吸附取向情况下,N-O键的伸缩振动频率都发生了较大的红移,N端吸附情况下红移150cm-1,O端时红移330cm-1。前线轨道分析表明,Cu与NO间的吸附作用主要是Cu的d轨道和NO的π*轨道间的相互作用。表面弛豫的计算表明,Cu2O(111)面的弛豫对O端吸附方式产生较大影响,考虑表面弛豫时O端吸附为很弱的化学吸附(吸附能为39.7kJ·mol-1),而没有考虑弛豫时吸附能为60.5kJ·mol-1。

CO和CH_3O在Cu_2O(111)表面吸附特性及共吸附的理论研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似方法结合周期平板模型,对Cu2O(111)非极性表面上CO和CH3O的吸附和共吸附进行了系统的研究.计算了CO以4种吸附模式和CH3O以O端在Cu2O(111)表面上的吸附,通过对不同吸附位置的吸附能、几何构型参数和Mulliken电荷的计算和比较发现,Cu2O(111)表面上配位未饱和铜离子(CuCUS)为CO的活性吸附位;配位饱和铜离子(CuCSA)为CH3O的活性吸附位.CO和CH3O吸附于Cu2O(111)表面后,表面弛豫现象明显改善.CO和CH3O与Cu2O(111)表面能够形成共吸附体系,CO和CH3O之间的相互作用力达到75.89 kJ/mol,为典型的化学作用,有助于促进CO和CH3O反应形成表面物种CH3OCO,计算结果与实验事实一致.

甲硫醇在Cu(111)表面的解离吸附:密度泛函理论研究(英文)

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和平板模型研究了CH_3SH分子在Cu(111)表面的吸附反应.系统地计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的一系列构型,第一次得到未解离的CH_3SH分子在Cu(111)表面顶位上的稳定吸附构型,该构型吸附属于弱的化学吸附,吸附能为0.39 eV.计算同时发现在热力学上解离结构比未解离结构更加稳定,解离的CH_3S吸附在桥位和中空位之间,吸附能为0.75-0.77 eV计算分析了未解离吸附到解离吸附的两条反应路径,最小能量路径的能垒为0.57 eV.计算结果还表明S—H键断裂后的H原子并不是以H_2分子的形式从表面解吸附而是以与表面成键的形式存在.通过比较S原子在独立的CH_3SH分子和吸附状态下的局域态密度,发现S—H键断裂后S原子和表面的键合强于未断裂时S原子和表面的键合.

HCOOH在Pd-Fe(111)(n_(Pd)∶n(Fe)=1∶1)表面吸附的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,对HCOOH在Pd(111)表面top,fcc,hcp,bridge四个吸附位和Pd-Fe(111)表面Pd-top,Fe-top,PdPd-bridge,PdFe-bridge,FeFe-bridge,Pd2Fehcp,PdFe2-hcp,Pd2Fe-fcc,PdFe2-fcc等9个吸附位的13种吸附模型进行了能量计算、构型优化,得到了HCOOH较有利的吸附位;并对清洁表面进行能带分析.结果表明:掺杂Fe后,Pd催化剂对HCOOH催化活性增强;HCOOH在Pd(111)表面的最稳定吸附位fcc的吸附能是-41.8kJ·mol-1,在Pd-Fe(111)表面的最稳定吸附位Pd2Fe-hcp的吸附能是-126.5kJ·mol-1,而且HCOOH在金属表面属于化学吸附.

甲醇在Pt-Mo(111)/C表面上的吸附

采用密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法,对CH3OH分子在Pt-Mo(111)/C表面的顶位、穴位和桥位共计9种吸附模型进行了构型优化、能量计算和频率分析,结果表明top-Pt位是较有利的吸附位.Mo掺杂后价带与导带位置均有不同程度的降低,电子结构的变化使得Pt-Mo(111)/C的催化活性提高.并且在考虑催化剂抗中毒性能时发现:CO在Pt(111)/C面上的吸附能比甲醇吸附能要高,CO在Pt-Mo(111)/C上的吸附能比甲醇的要低,说明CO在Pt(111)/C面上的吸附会阻碍甲醇的吸附,并影响催化过程的进行,而Pt-Mo(111)/C的抗CO中毒化能力增强,是催化氧化甲醇较好的催化剂.

表面台阶对超高真空下Si(111)基片表面银原子吸附与重构的影响

利用真空蒸发技术制备出了良好的Si(111)-3×3-Ag和Si(111)-3×1-Ag重构表面。通过低能电子衍射法和光学表面二次谐波法研究了两种类型切割角的单晶硅基片在超高真空银蒸镀过程中表面结构随衬底温度和蒸镀量的变化情况。vicinal样品产生的弱SinPout信号表明表面台阶的存在对Si(111)-3×3-Ag表面的成核生长过程有显著影响。低能电子衍射图片显示,500℃以上的高温下两种基片表面所形成的Si(111)-3×1-Ag重构分别为类单畴和三畴结构。类单畴和三畴结构Si(111)-3×1-Ag的光学表面二次谐波SinSout信号的一致性可能揭示了Si(111)-3×1-Ag结构中孪畴结构的存在。

Au/Pd(111)双金属表面催化噻吩加氢脱硫的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)计算了Pd(111)表面含有N(N=1-4)个Au原子数目时的表面形成能,选取最优构型进一步研究了噻吩在Au/Pd(111)双金属表面的吸附模式及加氢脱硫反应过程.结果表明:当Pd(111)表面含有1个Au原子时,其形成能最低.在Au/Pd(111)双金属表面噻吩初始吸附于Pd-Hcp-30°位时,其构型最稳定.在各加氢脱硫过程中,反应总体均放出热量.对于直接脱硫机理,其所需活化能较低,但脱硫产物较难控制;对于间接脱硫机理,反应最有可能按照顺式加氢方式进行,C―S键断裂开环时所需活化能最高,是反应的限速步骤.此外,与单一Au(111)面及Pd(111)面相比,Au/Pd(111)双金属表面限速步骤的反应能垒最低,表明AuPd双金属催化剂比Au、Pd单金属催化剂更有利于噻吩加氢脱硫反应的进行.

氧原子在具有Pt皮肤的Pt_3Ni(111)表面的吸附和扩散(英文)

用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了氧原子在具有Pt皮肤的Pt3Ni(111)[记为Pt-skin-Pt3Ni(111)]表面的吸附和扩散特性.重点研究了氧原子在Pt-skin-Pt3Ni(111)表面的扩散问题,这对理解Pt-skin-Pt3Ni(111)催化剂的高催化活性有重要意义.结果表明:氧原子容易吸附在fcc位;催化剂Pt3Ni中的Ni原子对催化剂的电子结构有很大影响,从而改变了其对氧原子的吸附.用推拉弹性带(NEB)方法搜索氧原子的扩散势垒,并解释了Pt-skin-Pt3Ni(111)催化剂的高催化活性.

窄带隙IV-VI族半导体PbTe(111)的表面氧化及氧的热脱附机理

利用X射线光电子能谱(XPS)、扫描隧道显微镜(STM)以及低能电子衍射(LEED),对PbTe(111)薄膜的表面氧化及氧的热脱附机理进行了研究.结果表明:PbTe(111)薄膜经500VAr+轰击加上250℃高温退火循环处理,可得到呈(1×1)周期性排列的清洁表面.将此清洁表面暴露于大气两天后,表面被氧化形成了PbO2、PbO和TeO2,氧化层的厚度大于2个单原子层(ML),与清洁PbTe(111)表面相比,被氧化的PbTe(111)表面的Te3d5/2与Pb4f7/2芯态谱峰的面积比明显减小,表明被氧化的PbTe(111)表面是富Pb的.在热脱附处理过程中,PbO2和TeO2的芯态峰消失,且O1s芯态峰的强度迅速减弱,表明加热处理不仅使PbO2和TeO2发生了分解,同时也使氧发生了脱附,但PbO即使在350℃退火仍吸附于PbTe(111)表面.

吡啶类缓蚀剂及其在Al(111)表面吸附行为的密度泛函理论分析

利用密度泛函理论方法研究了3种吡啶类缓蚀剂分子(吡啶、3-甲基吡啶和4-甲基吡啶)的反应活性及溶剂条件下在Al(111)表面的吸附行为。分子反应活性的量化计算结果表明,3种缓蚀剂分子的前线轨道均分布在吡啶环上,亲核和亲电活性中心均位于吡啶环的N原子上。分子与Al表面吸附的量化计算结果表明,3种分子均能与Al(111)面发生化学吸附,吸附强度顺序与实验测得的缓蚀效率顺序相一致,且缓蚀剂分子与Al(111)面的相互作用是由成键原子的轨道杂化所致。此外,3-甲基吡啶和4-甲基吡啶两个分子还能平行于Al(111)面发生物理吸附。

阴离子特性吸附和Pt(111)电极表面结构对乙二醇解离吸附动力学的影响

运用电化学循环伏安和程序电位阶跃方法研究了阴离子特性吸附和Pt(111)电极表面结构对乙二醇解离吸附反应动力学的影响.结果表明,阴离子特性吸附显著影响乙二醇的解离吸附,在高氯酸介质中(无特性吸附)测得乙二醇解离吸附反应的初始速率vi以及解离吸附物种(DA)的饱和覆盖度均明显大于硫酸溶液(发生SO24-/HSO4-特性吸附)中的相应值;其平均速率v随电极电位的变化呈类似火山型分布,最大值位于0.22V(vsSCE)附近.还发现通过不同处理获得的Pt(111)电极的不同表面结构对这一表面过程也具有显著的影响.

NO在Ir(111)表面吸附与解离的第一性原理研究

本文系统研究了NO在Ir(111)表面的吸附,解离,以及可能的N_2生成机理.结果表明,顶位吸附的NO,其解离能垒较高(3.17 eV),不会发生解离,而三重Hcp和Fcc空位吸附的NO发生解离,能垒分别为1.23和1.28 eV.N_2是唯一的生成物,不会有副产物N_2O的产生.其最可能的反应路径为N和NO经过N_2O中间体而生成N_2,而不是直接N提取和N-N聚合产生N_2的机理.

乙烷在Ni(111)表面的吸附和分解

研究了乙烷在Ni(111)表面解离的可能反应机理,使用完全线性同步和二次同步变换(complete LST/QST)方法确定解离反应的过渡态.采用基于第一性原理的密度泛函理论与周期平板模型相结合的方法,优化了C2H6裂解反应过程中各物种在Ni(111)表面的top,fcc,hcp和bridge位的吸附模型,计算了能量,并对布居电荷进行分析,得到了各物种的有利吸附位.结果表明,乙烷在Ni(111)表面C—C解离的速控步骤活化能为257.9kJ·mol-1,而C—H解离速控步骤活化能为159.8kJ·mol-1,故C—H键解离过程占优势,主要产物是C2H4和H2.